具有耐磨性包覆层的复合杆的制作方法
【专利说明】具有耐磨性包覆层的复合杆
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求提交日为2013年7月10日的美国临时专利申请序列号61/844,652 的提交权益，在此通过引用将其全部内容并入本文。
【背景技术】
[0003] 已在各种用途中采用由嵌入聚合物树脂中的纤维形成的复合带和杆。例如，这样 的带、更具体地由该带形成的杆可用作轻量的结构增强物。这样的杆的一个具体的用途是 在油气工业，例如在海底用途中以及在陆上油气生产现场中。陆上或海底用途中，例如，可 将多层管用于上升装置、输送管线、脐带线和/或其他适合的管组件。在生产现场用途中， 多层管可用于上升装置、内场流动管线、输出管线和/或其他适合的管组件。例如，电力脐 带线常常用于海表面与位于海床上的设备之间的流体和/或电信号的传送。为了有助于增 强这样的脐带线，已尝试使用挤拉的碳纤维杆作为独立的承载元件。这样的杆的其他用途 可包括，例如，用于高压缆线、系绳等。带的用途可包括，例如，用于高压容器以提供其增强 物。通常，复合带和杆可用于可需要例如高强重比元件、高耐腐蚀性、和/或低热膨胀性的 任何适合的用途。
[0004] 但是，对于目前已知的用于生产复合带和杆的方法和装置，存在许多明显的问题。 例如，通常通过用聚合物树脂浸渍纤维粗纱而形成复合带和杆。许多粗纱依赖于热固性树 月旨（例如，乙烯酯）以有助于实现所需的强度性质。在制造过程中热固性树脂难以使用并 且不具有良好的用于与其他材料形成层的接合特性。进而，已尝试由其他类型用途中的热 塑性聚合物形成浸渍的粗纱。例如，美国专利公开号2005/0186410,Bryant等，记载了尝试 将碳纤维嵌入热塑性树脂中以形成传输电缆的复合芯。不幸的是，Bryant等指出这些芯由 于纤维的润湿不足而显示出缺陷和干点，这导致耐久性和强度差。这样的芯的另一问题是 热塑性树脂不能在高温下运行。
[0005] 近来，已开发了允许使用热塑性树脂和纤维粗纱以形成复合带和杆的方法和装 置。但是，这些目前已知的方法和装置的使用在一些情况下导致复合杆具有不希望的高空 隙水平。另外，目前已知的方法和装置通常价格高并且产生高水平的过量废料。
[0006] 进而，已开发了包覆层作为保护复合杆的复合杆的外护套。但是，许多情况下，目 前已知的包覆层可能无法提供具体用途要求的所需的耐磨性和表面能。进而，一些情况下 目前已知的包覆层可能不希望地粘附于例如在用于具体用途例如油气工业用途的杆上挤 出的材料。
[0007] 因此，本领域中需要改进的杆以及用于形成这样的复合材料的改进的系统和方 法。具体地，目前需要提供改善的耐磨性的杆。进而，对这样的杆的表面能进行调节以及 防止粘附于具体用途中的其他材料将会是有利的。进而，目前需要如下的杆，其显示这些特 性，同时提供由具体用途要求的所需的强度、耐久性、温度性能和尺寸要求。
【发明内容】
[0008] 根据本公开的一个实施方案，公开了复合杆。该复合杆包括这样的芯，所述芯包含 热塑性材料和嵌入该热塑性材料中的多个连续纤维，该多个连续纤维在该热塑性材料内具 有大致单向的取向。该复合杆也包括包覆层。该包覆层大致包围该芯并且包括高性能聚合 物和疏水性润滑剂。
[0009] 以下更详细地对本发明的其他特征和方面进行说明。
【附图说明】
[0010] 包括参照附图，在本说明书的剩余部分更具体地对本发明的全部且有条件完成的 公开内容（包括其对于本领域技术人员的最佳方式）进行说明，其中：
[0011] 图1是根据本公开的一个实施方案形成的复合杆的透视图。
[0012] 图2是根据本公开的一个实施方案的缆线、本实施方案中脐带线的透视图；
[0013]图3是根据本公开的一个实施方案的缆线、本实施方案中电缆的透视图；
[0014] 图4是根据本公开的一个实施方案的浸渍系统的不意图；
[0015] 图5是根据本公开的一个实施方案的模头的透视图；
[0016] 图6是图5中所不的模头的横截面图；
[0017]图7是根据本公开的一个实施方案的模头的歧管组件和浇口通道的分解图；
[0018] 图8是根据本公开的一个实施方案的至少部分限定浸渍区的第二浸渍板的一个 实施方案的透视图；
[0019] 图9是根据本公开的一个实施方案的浸渍区的部分的特写截面图；
[0020] 图10是根据本公开的一个实施方案的浸渍区的下游端部的特写截面图；
[0021] 图11是根据本公开的一个实施方案的成型区的透视图；
[0022] 图12是根据本公开的一个实施方案的成型区的透视图；
[0023]图13是本发明中可采用的挤拉系统的一个实施方案的示意图；
[0024]图14是根据本发明可采用的各种校准模头的一个实施方案的顶截面图；
[0025] 图15是根据本发明可采用的校准模头的一个实施方案的侧截面图；
[0026] 图16是根据本发明可采用的校准模头的一个实施方案的一部分的正面图；
[0027] 图17是根据本发明可采用的成型辊的一个实施方案的正面图；
[0028] 图18是根据本公开的一个实施方案的带的透视图；
[0029] 图19是根据本公开的一个实施方案的带的截面图；并且
[0030] 本说明书和附图中附图标记的反复使用旨在表示本发明的相同或相似的特征或 要素。
【具体实施方式】
[0031] 本领域普通技术人员可理解，本论述只是对例示实施方案的说明，并不旨在限制 本发明的更宽的方面。
[0032] -般而言，本公开涉及复合杆，其包括芯和围绕该芯的包覆层。包覆层可围绕且接 合于芯，并且可有利地对杆提供改善的耐磨性。更具体地，包覆层可以包括高性能聚合物 和疏水性润滑剂。本文中使用的术语"高性能聚合物"通常是指显示优越的热、机械、电、光 学、表面、和/或流变性质的聚合物。例如，高性能聚合物能够通常显示热稳定性并且具有 约200 °C或更高的熔融温度。
[0033]除了改善耐磨性以外，包覆层可包括对于具体用途所需的能够有利地改变包覆层 的表面能的组分。例如，通过疏水性含氟聚合物的种类和量的选择性添加，可使包覆层的表 面能改变。表面能能够影响杆与其他材料的相互作用。例如，可将包覆层设计为显示可防 止杆粘附于其他材料例如在绳或脐带线的形成中在杆上挤出的聚合物的表面能。但是，在 另一实施方案中，可将包覆层设计为显示可促进杆粘附于其他材料的表面能。
[0034] 参照图1，给出杆750的一个实施方案。如能够看到那样，杆750包括由连续纤维 增强热塑性（"CFRT"）材料形成的芯760和与芯760接合并且总体上将其包围的包覆层 800 〇
[0035] 如图所示，杆750具有通常圆形的形状并且包括由一个或多个合并的粗纱142形 成的芯760。"通常圆形"通常意味着杆的纵横比（高度除以宽度）典型地为约1. 0-约1. 5， 一些实施方案中，为约1. 0。由于对用于浸渍粗纱并且形成带152、156的工序以及用于将带 (一个或多个）压缩成形为预型件并最终成为芯760的工序（如本文中进一步讨论那样） 的选择性控制，杆750和其芯760可沿其整个长度具有相对均匀的树脂214的分布。这也 意味着使连续纤维围绕芯760的纵向中心轴"L"以通常均匀的方式分布。如图1中所示， 例如，芯760包括嵌入热塑性基体214中的连续纤维400。使纤维400围绕纵向轴"L"大致 均匀地分布。应理解地是，图1中只示出少量纤维，芯760典型地含有实质上更多数目的均 匀分布的纤维。
[0036] 包覆层800也可围绕杆750的周边延伸并且限定杆750的外表面。
[0037] 可战略性地选择杆750的截面厚度（"T"）以有助于实现特定的强度。例如，杆 750可具有约0. 1-约40毫米，一些实施方案中约0. 5-约30毫米，一些实施方案中约1-约 10毫米的厚度（例如，直径）。包覆层800的厚度取决于部件的所需的功能，但典型地约 0.01-约10毫米，一些实施方案中，约0.02-约5毫米。无论如何，杆的总截面厚度或高度 典型地为约0. 1-约50毫米，一些实施方案中约0. 5-约40毫米，一些实施方案中约1-约 20毫米。尽管杆750在长度上可以是实质上连续的，但实际上杆的长度常常受到将杆缠绕 到其上并存储的卷轴或者连续纤维的长度的限制。例如，长度常常为约1000-约5000米， 尽管更长的长度也当然是可能的。
[0038] 包覆层包括高性能聚合物和疏水性润滑剂。例如，包覆层可以包括包覆层的约98 重量％以下、约95重量％以下、约90重量％以下、或约85重量％以下的高性能聚合物。例 如，包覆层可以包括约50重量％ -约98重量％的高性能聚合物或者约60重量％ -约95重 量％的高性能聚合物。可用于形成包覆层的高性能聚合物可以包括半结晶和无定形的高性 能聚合物以及高性能热塑性含氟聚合物。如前所述，高性能聚合物通常认为是具有约200°C 以上的熔融温度的那些聚合物。
[0039] 适合的高性能聚合物可以包括氟代乙烯丙烯、全氟烷氧基、聚偏氟乙烯、乙烯四氟 乙烯、氯三氟乙烯、聚醚醚酮、聚邻苯二甲酰胺、聚亚芳基硫醚（例如，聚苯硫醚）、液晶聚合 物、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛、聚苯基砜、聚砜、聚醚酰亚胺、 聚酰胺-酰亚胺，和高性能聚合物的混合物，而没有限制。根据一个实施方案，适合的高介 电强度包覆层材料可包括聚醚醚酮（例如，聚醚醚酮（"PEEK"）），单独或与其他高性能聚 合物例如聚亚芳基硫醚共混。
[0040] 包覆层也可以包括疏水性润滑剂。本文中使用的术语"疏水性润滑剂"通常是指能 够减小包覆层的内摩擦并且能够减小包覆层的表面能并且能够耐水的聚合物。作为实例， 该疏水性润滑剂可以包括含氟聚合物或有机硅烷。通常，该包覆层可以包括该包覆层的约 30重量％以下、约25重量％以下、约20重量％以下、或者约10重量％以下的疏水性润滑 剂。例如，该包覆层可以包括约1重量％ -约30重量％、或者约2重量％ -约20重量％的 疏水性润滑剂。
[0041] 含氟聚合物是包括其中一些或全部的氢原子被氟原子取代的烃主链的聚合物。主 链聚合物通常为聚烯烃并且由氟取代的、不饱和的烯烃单体形成。含氟聚合物能够是这样 的氟取代的单体的均聚物，或者氟取代的单体或氟取代的单体与非氟取代的单体的混合物 的共聚物。与氟原子一起，该含氟聚合物也能够被其他卤素原子例如氯和溴原子取代。适 合形成含氟聚合物的代表性单体包括，但不限于，四氟乙烯（"TFE"）、偏氟乙烯（"VF2"）、 六氟丙烯（"HFP"）、氯三氟乙烯（"CTFE"）、全氟乙基乙烯基醚（"PEVE"）、全氟甲基乙 烯基醚（"PMVE"）、全氟丙基乙烯基醚（"PPVE"）等，以及